多纤芯光学纤维中用于安全性的冗余纤芯制造技术

技术编号:19075316 阅读:4 留言:0更新日期:2018-09-29 17:37
一种光学纤维包含配置在纤维中的多个光学纤芯,多个光学纤芯包含主要纤芯和辅助纤芯的集合。一种干涉测量系统使用来自多个主要纤芯的测量值来预测来自辅助纤芯的响应。将预测辅助纤芯响应与实际辅助纤芯响应比较以确定它们是否相差超过预定量,在相差超过预定量的情况下,来自多个主要纤芯的测量值可以被认为是不可靠的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多纤芯光学纤维中用于安全性的冗余纤芯本申请要求2016年5月11日提交的标题为REDUNDANTCOREINMULTICOREOPTICALFIBERFORSAFETY”的第62/334,649号美国临时专利申请的优先权和权益,该临时专利申请通过引用以其全文并入本文中。
技术介绍
旋转多纤芯纤维已用于确定光学纤维的形状。具有四个纤芯的多纤芯纤维可以用于将纤维的变形分成两个弯曲角度(俯仰和摇摆)、一个扭转角度以及纤维伸长。这四个测量值构成四个自由度。这四个测量值(俯仰、摇摆、扭转以及伸长)还表示纤维在相对较小力的情况下可能发生的所有变形。在基于光纤的形状感测中,多信道分布式应变感测系统用于检测在多纤芯光学形状感测纤维内的若干纤芯中的每一个的应力的改变,所述多纤芯光学形状感测纤维如通过引用并入本文中的US8,773,650中所描述。多个分布式应变测量值通过方程组组合以产生物理测量值的集合,包含曲率应变、扭转应变以及轴向应变,如通过引用并入本文中的US8,531,655中所描述。这些物理测量值可以用于确定光学纤维的分布式形状和位置。用于形状感测纤维的一些应用针对形状感测输出的精确性和可靠性需要高置信度或安全性。示例应用为在精密制造、手术或其它环境中使用的机械臂。形状感测纤维应用的另一问题是无法预见或不可预测的误差,所述误差不包含在形状感测模型或模型假设中。示例误差包含光学和/或电子感测和处理电路的操作中的误差、连接纤维中的误差、例如加载错误的校准文件以校准形状感测系统的人为误差,以及通过由纤维经受的不包含在形状感测模型中的力造成的误差。已描述的一个此参数为纤维挤压。另一参数为温度,如果形状感测模型不考虑由于温度导致的改变的话。另一关注点为尚未知道或尚不可识别的其它参数。因此对技术方案的另一需要是能够检测到独立于形状感测模型且在形状感测模型中未考虑的误差。
技术实现思路
本申请中的技术使用具有N个自由度和N个测量值的模型来预测附加测量值。换句话说,N自由度模型用于制造N+1个测量值,且使用纤维中的额外的或冗余的纤芯制造的额外测量值用作对模型的检查。例如,在具有六个光学纤芯(第六个纤芯为辅助或冗余纤芯)的光学形状感测纤维的五自由度模型的情况下,其中纤维的每一区段可能经受俯仰、摇摆、滚转、张力以及温度的空间或时间改变,五个应变被测得且用于唯一地确定模型中的五个参数(俯仰、摇摆等)中的每一个。所确定的五个参数随后用于在模型为正确且可靠的时预测第六个纤芯中的应变应是什么,且将预测应变与第六个纤芯中的测量的应变比较以确定误差。有利地,该技术不需要提前知道模型中的任何具体误差以便检测所述误差且还检测未知来源的误差。添加更多的辅助或冗余信号(7个纤芯替代于6个纤芯用于五自由度模型)进一步增加形状感测测量中的置信度和信任。在示例实施例中,提供一种用于测量光学纤维的干涉测量系统,所述光学纤维包含配置在纤维中的多个主要纤芯和配置在纤维中的辅助纤芯。干涉检测电路经配置以检测与多个主要纤芯和辅助纤芯中的每一个相关联的测量干涉图案数据。这可以在光学纤维置于感测位置中时进行。数据处理电路经配置以基于多个主要纤芯的检测的测量干涉图案数据来确定补偿参数、比较所使用的辅助纤芯的预测参数值和辅助纤芯的基于测量的参数值以产生比较结果、基于该比较结果来确定所确定的补偿参数的不可靠性,并且响应于不可靠性来产生信号。补偿参数补偿在多个主要纤芯的校准配置与多个主要纤芯的实际配置之间的变化。信号可以表示包括以下各项中的一个或多个的误差:(a)检测电路或数据处理电路的操作中的误差,(b)光学纤维连接中的误差,(c)校准配置中的误差,或(d)通过由纤维经受的力造成的误差,由所述力造成的误差的补偿参数不通过数据处理电路确定。例如,不可靠性可以通过光学纤维的挤压造成、通过温度的空间或时间改变造成、通过改变来自光学纤维的测量的信号的某一其它现象造成,或通过其组合造成。在一个示例应用中,数据处理电路经配置以将补偿参数应用到纤维的随后获得的测量干涉图案数据。在示例应用中,预测参数值为辅助纤芯的预测相位,且基于测量的参数值为辅助纤芯的基于测量的相位。数据处理电路经配置以通过执行以下操作来确定辅助纤芯的预测相位:计算在主要纤芯中的每一个中测量的相位的导数以获得多个相位导数;将多个相位导数乘以转换矩阵以获得预测辅助纤芯相位导数;并且对预测辅助纤芯相位导数进行积分以获得辅助纤芯的预测相位。在另一示例应用中,数据处理电路经配置以:基于检测的测量干涉图案数据来确定纤维的应变值,所述应变值对应于光学纤维上的轴向应变、弯曲应变以及扭转应变,并基于光学纤维的对应于光学纤维上的轴向应变、弯曲应变以及扭转应变的所确定的应变值来确定光学纤维的形状。在另一示例应用中,数据处理电路经配置以:基于检测的测量干涉图案数据来确定纤维的应变值,所述应变值对应于光学纤维上的轴向应变、弯曲应变、扭转应变以及温度应变,并基于光学纤维的对应于光学纤维上的轴向应变、弯曲应变、扭转应变以及温度应变的所确定的应变值来确定光学纤维的形状。温度应变在本文中用于指示通过温度造成的应变,例如通过在校准之后或在获取参考基线读数之后发生的温度的空间或时间改变造成的应变。在示例实施方式中,数据处理电路经配置以在不可靠性超过预定阈值时产生信号。在另一示例实施方式中,信号表示不可靠性。其它示例实施例包含一种用于测量光学纤维的干涉测量方法,所述光学纤维包含配置在纤维中的多个主要纤芯和配置在纤维中的辅助纤芯。所述方法包含:当光学纤维在感测位置中时,使用干涉检测电路来检测与多个主要纤芯和辅助纤芯中的每一个相关联的测量干涉图案数据;以及使用数据处理电路基于多个主要纤芯的检测的测量干涉图案数据来确定补偿参数,所述补偿参数补偿在多个主要纤芯的校准配置与多个主要纤芯的实际配置之间的变化,比较辅助纤芯的预测参数值与辅助纤芯的基于测量的参数值以产生比较结果,基于比较结果来确定补偿参数的不可靠性,以及响应于不可靠性来产生信号指示。其它示例实施例包含具有五个或更多个纤芯的光学纤维,所述纤芯包含中央纤芯以及各自与中央纤芯相距半径距离的四个或更多个外围纤芯。五个或更多个纤芯中的一个或多个提供与其它纤芯的温度响应不同的温度响应。四个或更多个外围纤芯中的一个或多个外围纤芯与中央纤芯相距第一半径距离,所述第一半径距离不同于与其它四个或更多个外围纤芯相关联的距中央纤芯的第二半径距离。第一半径距离与第二半径距离之间的差值为与全部五个或更多个纤芯相关联的平均半径距离的至少10%。在示例实施方式中,五个或更多个纤芯沿着光学纤维的长度螺旋扭转。在另一示例实施方式中,提供不同的温度响应的一个或多个纤芯具有与其它纤芯不同的掺杂或材料。附图说明图1示出具有可旋转接头的机械臂,所述可旋转接头图示说明在接头中的纤维挤压的示例。图2示出具有五个纤芯的第一扭转多纤芯纤维示例实施例。图3图示说明可用于量化五纤芯螺旋扭转光学纤维的纤芯布置和对应变的响应的数学参数。图4示出基于光频域反射计(OFDR)的形状感测系统的第一示例实施例的示意图,所述形状感测系统识别独立于使用五纤芯纤维的形状感测系统的模型和假设的误差。图5为用于校准第一示例实施例中的光学形状感测纤维的流程图。图6为用于检测第一示例实本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于测量光学纤维的干涉测量系统,所述光学纤维包含配置在所述纤维中的多个主要纤芯和配置在所述纤维中的辅助纤芯,所述系统包括:干涉检测电路,所述干涉检测电路经配置以检测与所述多个主要纤芯和所述辅助纤芯中的每一个相关联的测量干涉图案数据;以及数据处理电路,所述数据处理电路经配置以:基于所述多个主要纤芯的所检测的测量干涉图案数据来确定补偿参数,所述补偿参数补偿在所述多个主要纤芯的校准配置与所述多个主要纤芯的实际配置之间的变化,比较所述辅助纤芯的预测参数值与所述辅助纤芯的基于测量的参数值以产生比较结果,基于所述比较结果来确定所确定的补偿参数的不可靠性,以及响应于所述不可靠性来产生信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.11 US 62/334,6491.一种用于测量光学纤维的干涉测量系统,所述光学纤维包含配置在所述纤维中的多个主要纤芯和配置在所述纤维中的辅助纤芯,所述系统包括:干涉检测电路,所述干涉检测电路经配置以检测与所述多个主要纤芯和所述辅助纤芯中的每一个相关联的测量干涉图案数据;以及数据处理电路,所述数据处理电路经配置以:基于所述多个主要纤芯的所检测的测量干涉图案数据来确定补偿参数,所述补偿参数补偿在所述多个主要纤芯的校准配置与所述多个主要纤芯的实际配置之间的变化,比较所述辅助纤芯的预测参数值与所述辅助纤芯的基于测量的参数值以产生比较结果,基于所述比较结果来确定所确定的补偿参数的不可靠性,以及响应于所述不可靠性来产生信号。2.根据权利要求1所述的干涉测量系统,其中所述信号表示误差,所述误差包括:(a)所述检测电路或所述数据处理电路的操作中的误差,(b)光学纤维连接中的误差,(c)所述校准配置中的误差,或(d)通过由所述纤维经受的力造成的误差,由所述力造成的误差的补偿参数不通过所述数据处理电路确定。3.根据权利要求2所述的干涉测量系统,其中所述误差通过所述光学纤维的挤压造成。4.根据权利要求2所述的干涉测量系统,其中所述误差通过温度的改变造成。5.根据权利要求1所述的干涉测量系统,其中所述数据处理电路进一步经配置以将所述补偿参数应用到所述纤维的随后获得的测量干涉图案数据。6.根据权利要求1所述的干涉测量系统,其中所述预测参数值为所述辅助纤芯的预测相位,且所述基于测量的参数值为所述辅助纤芯的基于测量的相位。7.根据权利要求6所述的干涉测量系统,其中所述数据处理电路进一步经配置以通过以下操作来确定所述辅助纤芯的所述预测相位:计算在所述多个主要纤芯中的每一个中测得的相位的导数以获得多个相位导数;将所述多个相位导数乘以转换矩阵以获得预测辅助纤芯相位导数;以及对所述预测辅助纤芯相位导数进行积分以获得所述辅助纤芯的所述预测相位。8.根据权利要求1所述的干涉测量系统,其中所述数据处理电路进一步经配置以:基于所述检测的测量干涉图案数据来确定所述纤维的应变值,所述应变值对应于所述光学纤维上的轴向应变、弯曲应变以及扭转应变,以及基于所述纤维的所述应变值来确定所述光学纤维的形状。9.根据权利要求1所述的干涉测量系统,其中所述数据处理电路经配置以:基于所述检测的测量干涉图案数据来确定所述纤维的应变值,所述应变值对应于所述光学纤维上的轴向应变、弯曲应变、扭转应变以及温度应变,以及基于所述光学纤维的所述应变值来确定所述光学纤维的形状。10.根据权利要求1所述的干涉测量系统,其中所述数据处理电路进一步经配置以在所述不可靠性超过预定阈值时产生所述信号。11.根据权利要求1所述的干涉测量系统,其中所述信号表示所述不可靠性。12.根据权利要求1所述的干涉测量系统,其中所述干涉检测电路经配置以在所述光学纤维置于感测位置中时检测所述测量干涉图案数据。13.一种用于测量光学纤维的干涉测量方法,所述光学纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员:M·弗罗格特D·吉福德J·T·拉克罗克P·罗伊A·K·桑
申请(专利权)人:直观外科手术操作公司
类型:发明
国别省市:美国,US

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